车载动力电源系统振动试验研究

涂洪成，周时国，王　帅，尹利超

（郑州宇通客车股份有限公司，郑州450061）

车载动力电源系统振动试验研究

涂洪成，周时国，王帅，尹利超

（郑州宇通客车股份有限公司，郑州450061）

车载动力电源系统是电动汽车的重要组成部分，电源系统的耐振动性能直接关系到整车的安全和寿命。本文对动力电源振动试验的相关标准进行了介绍，并对某款车用纯电动的动力电源系统进行振动试验研究，给出了试验方法和相关结论。

动力电源系统；振动试验；试验标准

作为电动汽车的重要组成部分，动力电源系统的耐振动性能的好坏直接决定了整车的安全性以及使用寿命［1］。动力电源系统振动试验的目的是模拟电源系统在汽车行驶过程中可能出现的振动效果，提前预测可能出现的故障和失效模式，从而在设计及装车过程中加以避免［2-4］。本文分析了国内外动力电源系统振动试验标准，对某款纯电动客车用电源系统进行了随机振动测试，并对测试结果进行了分析和总结。

1　动力电源系统振动标准介绍

与电源系统振动测试有关的国内外标准［5-8］如下。

1.1国外标准

1）ISO 12405。目的是检测由于振动可能引起的故障，测试由于道路不平顺的随机激励而引起的随机振动。确定由振动导致的电器故障和失效。该标准规定振动前后测试电源系统的容量，测试过程中电源系统SOC调整到50%。根据受试样品数量的不同，振动时间也不同，样品数量为1/2/3个，分别对应的振动时间为21 h/15 h/12 h。测试过程温度范围为-40℃～75℃。ISO 12405振动图谱见文献［6］。

2）SAE J2380-1998和SAE J292-2011。SAE J2380 -1998的测试目的是考察单箱电池的耐振动性能；SAE J292-2011的测试目的是通过测试电源系统的耐振动性能确保电池组能够在EV或HEV中安全地应用。SAE J292-2011中规定可以做整个电源系统振动测试，也可以作为整车子系统的项目测试。作为电源系统测试，要求电池充满电，环境温度和湿度未做限制，但是通常按照振动、温度、工况三个综合条件同时进行，频率范围为10Hz～190Hz。测试要求电源系统测试前、测试中、测试后1h之内无漏液、无漏气、无爆炸，高压绝缘不低于100Ω/V。测试后开路电压不低于测试前开路电压的90%。试验后，电池系统内部元器件以及高压导线没有损坏或松动。电源系统作为子系统进行振动试验时，电池箱或电池模组内部零部件通过电气或机械连接，必须固定可靠，以保证随机振动可以传递到这些部件上。同时，作为整车的一部分进行测试时，电池的温度和SOC按照常态进行，不做要求。SAEJ2380电源系统振动图谱见文献［7］。

3）美国先进电池联合会USABC。USABC的电源系统振动试验标准对电源系统振动测试的目的是测试长时间振动对电池性能的影响，完善电池性能，改进电池的设计，保证电池的正常使用。该标准参考SAE J2380标准制定，USABC规定了正弦振动和随机振动两种振动方式。使用正弦扫面仅仅需要24 h就能完成，但是它认为随机振动更有意义。随机振动分为正常测试和可选测试两部分，正常测试需要92.5 h，可选测试需要38.1 h。同时标准对试验的电源系统SOC，均方根加速度进行了规定，并给出了随机振动的振动谱图。FreedomCAR功率辅助型混合电动车电池测试手册中振动测试也是参考SAEJ2380中的振动标准。该标准规定了电源系统需要充满电进行试验。

4）美国保险商实验室UL 2580-2011。该标准制定的目的在于保证电源系统安全、可靠的应用以及避免对人造成伤害。它参考SAE J2380制定，同时它规定所有方向的振动试验，电池SOC都应该在80%以上。振动试验进行时需要监控试验中的开路电压和温度信息。测试后的电源系统需要静止8～24 h。如果放置没有问题的话，需要再做一个充放电循环，才可视为正常电池使用。电源系统振动方案具体见文献［8］。

5）欧标EN 60086-4-2007。该标准目的是模拟车辆运输途中的振动效果，测试条件基于国际民航组织ICAO设定的振动范围。它规定单体电池或电池组应当牢靠地固定在振动平台上，不得扭曲，以真实传递运输过程中的振动效果。振动方式为正弦扫描，x/y/z各扫描一次为一个周期，一个扫描周期为15min，重复12次循环。

1.2国内标准

1）GB/Z 18333.1［9］和QC/T 743-2006［10］。它们是按照正弦振动试验来制定的标准，振动时只有z轴方向的振动，没有规定水平方向的振动。同时这两项标准只针对单体电池或电池模组，没有整个电源系统的振动标准。

2）GB/T 31467.3-2015［11］。该标准规定电池按照随机振动的方法进行试验，试验方法参照ISO12405中关于振动试验的规定。同时规定了相关电子装置的振动试验方法，即在10Hz～1 000 Hz范围内进行随机振动试验。均方根加速度值为27.8m/s2。

由以上标准可以看出，电源系统的测试标准大多是从ISO 12405和SAE J2380标准中演化而来，由于测试目的不同，不同的测试标准对电池的SOC状态、环境温度及测试时间进行了相应的修订。如SOC状态，有50%（ISO）、80%（UL）和100%（USABC和FreedomCAR）几种。

本文的振动试验方法按照国标GB/T 31467.3-2015规定方法，同时参考了ISO12405和SAE J2380的振动标准，采用满电态的测试方案，并根据客车在运行中的振动特性，进行了电源系统的振动试验。

2　电源系统的振动试验

通过参考ISO12405和SAE J2380关于电源系统振动的试验标准，对某款纯电动客车用电源系统进行了振动试验。为了检测电源系统的耐振动强度［12-14］，对振动后的电源系统机械和电气强度，箱体气密性以及绝缘性能进行了测试。

2.1试验准备及传感器的设置

本试验用电源系统（518.4V，172Ah）由6个结构相同、串并联方式一样的电池包（172.8V，86Ah）组成。按照视同原则，如果单个电池包能够满足振动要求，其余电池包也可以视同满足要求。因此，本试验针对单个电池包进行了振动情况验证。本试验的主要设备有Digatron电池性能测试设备、高低温环境箱，振动台、热交换器、功率放大器、振动控制仪、电荷放大器等。首先，将电池包借助夹具牢固固定在振动台上，不得扭曲，以真实传递运输过程中的振动效果。试验开始前和结束后用0.5 g的加速度对x/y/z方向上扫频，频率范围为5Hz～200Hz，扫频速率为10 Oct/min。

在振动台上布置2个英迈克加速度传感器取平均值按照振动的要求输出；夹具上布置2个英迈克加速度传感器，监控振动从振动台传递到夹具的实际振动值；电池的关键部位（电池包内部电池模组连接铜排及上下密封盖固定位置）上布置6个英迈克加速度传感器。如图1所示。

2.2试验方法及步骤

振动试验开始前需要对电池进行性能测试，包括容量、电压、绝缘电阻等。然后将电池包在室温下以43 A电流恒流充电至100%SOC。待充满电静置2 h后再将电池包固定到振动台操作台面上，如图1所示。

振动试验按照先z方向，再y方向，最后x方向的顺序进行，振动频率范围为10 Hz～200Hz。z轴、y轴、x轴加速度均方根和振动时间分别为1.44 grms/21 h，1.23 grms/21 h、0.96 grms/21 h。振动谱如图2所示。

为了模拟电源系统真实的工作温度环境，把电源系统放在温度箱中，在不同时间改变电池包的环境温度。温度与时间的对应关系如图3所示。

合格判定依据为试验过程中无异响，无噪声；试验前后电池容量无明显差异；电池包电压及绝缘性能无异常；试验结束后样品外观和内部无断裂、扭曲、破裂等机械损坏现象，气密性合格；不漏液，不起火，不爆炸。

2.3试验结果及分析

z、y、x轴振动图谱如图4-图6所示，图中振动曲线上下4条线分别为加速度停机上线，加速度报警上线，加速度报警下线，加速度停机下线。一般加速度停机上下线为设定加速度的±6 dB，加速度报警上下线为设定加速度的±3 dB。

由图4-图6可以看出，电源系统的振动在设定值的合理范围内。实验结束后，电池箱体外观完好，无机械性损坏；箱体内部模组及相关线束牢固无磨损，结构无机械性损坏，箱子底部平整无磨损和破裂现象。向电池箱体内部充气，充气压力为3.033 kPa，待平衡后测量箱体内部气压为2.980 kPa，气密性合格；由图7和图8可以看出，振动试验前电池包容量为86.3 Ah，振动后电池包容量为85.4Ah，恢复容量为86.7Ah。充放电曲线电压电流无跳变现象。使用绝缘表以1000V测量的电池箱体4个地方的绝缘电阻值均大于100Ω/V，电池的绝缘性能完好。结果表明，该电源系统能够满足z轴、y轴、x轴1.44 grms、1.23 grms、0.96grms连续振动21h试验要求。

3　结束语

电源系统对整车性能有至关重要的直接影响，随着电动汽车的大规模应用，对电源系统的振动性能需要做进一步的深入研究。目前各试验标准对试验条件如温度、电源系统SOC、振动能量大小有相对较大的差异，需要根据实际情况选择相应的方案进行测试。同时受测试产品本身性能影响，在做振动试验操作时，一定要首先保证电源系统的安全，固定牢固可靠，并在此基础上选择合适的试验参数，确保试验结果真实地反应出电源系统本身的性能。

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［10］全国汽车标准化技术委员会.电动汽车用锂离子蓄电池: QC/T 743-2006［S］.北京：中国标准出版社，2006.

［11］全国汽车标准化技术委员会.电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统:第3部分安全性要求与测试方法：GB/T 31467.3-2015［S］.北京：中国标准出版社，2015.

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修改稿日期：2016-03-16

Research on Vibration Experiment of Electric Vehicle Power Battery System

Tu Hongcheng，Zhou Shiguo，Wang Shuai，Yin Lichao
（Zhengzhou Yutong Bus Co.，Ltd，Zhengzhou 450061，China）

The safety and life of a electric vehicle directly relates to the performance of the power battery system，which is an important part of the electric vehicle.The authors introduce the standards of vibration test for the power battery system，and do the experimental research on the power battery system vibration of a pure electric vehicle.

power battery system；vibration experiment；the standard of experiment

U463.63

A

1006-3331（2016）03-0052-04

涂洪成（1983-），男，工程师；主要从事动力电源测试分析工作。